CN102259132A - 电磁力驱动模压板材成形方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种电磁力驱动模压板材成形方法及设备，涉及块体板状超细晶材料由电磁力驱动模压成形。利用电磁力驱动钢模实现板材高速率剧烈变形，由此解决基于冲压成形等常规塑性变形手段成形金属薄板时，受到材料种类和压制道次限制，晶粒细化效果不明显的问题，其技术特征是将加工件板坯放入压弯模进行压弯；用压平模对已压弯的板坯进行整平。然后，板坯水平方向旋转180°，使得前两次模压变形过程中试样未受到剪切的部分进入到剪切变形的位置，再进行压弯；用压平模对再次压弯过的板坯进行整平。经4次模压变形，可在不改变板坯外形尺寸的情况下获得超细晶板材。本发明有效集成了电磁成形与模压变形的优点，可制备各种类金属材料的大体积超细晶板材。

Description

电磁力驱动模压板材成形方法及设备

技术领域

本发明属于超细晶金属材料成形加工技术领域，尤其涉及一种采用电磁力驱动制备块体板状超细晶材料的大塑性变形方法及成形设备。

背景技术

随着现代工业和科学技术的发展，不断提高钢铁与有色金属材料的综合性能和减少结构件自重，已成为制造业亟待解决的问题。近年来，超细晶(包括亚微米级和纳米级)金属材料——由于其表现出的一系列有别于传统材料的优异的物理、力学和成形性能——引起了人们的密切关注。大体积超细晶金属材料的制备方法主要可以分为两类：(1)把通过不同加工技术获得的微米、纳米颗粒等超微粉体进行致密化。超微粉体的制备方法主要有惰性气氛中的气相冷凝法、电沉积以及高能球磨法等。这类方法虽然是多数超细晶材料组织和性能研究的基础，但这些方法在发展中还存在一些难以解决的问题，如致密化后的残留孔洞、制粉或粉体团聚过程中的污染、所获试样的几何尺寸增大等。(2)对现有粗晶材料进行剧烈塑性变形，使其获得稳定的超细晶组织，即剧烈塑性变形法。剧烈塑性变形法具有许多独特的优点，如不存在超微粉体的制备过程，不易引入杂质；适用范围宽，可以制备大体积、无残留孔洞试样；并且工业应用的可行性高。相对而言，后一类方法更具可行性。

模压变形法是新近提出的一种剧烈塑性变形方法，应用于板材的晶粒细化，且处理后的试样厚度不会有显著的变化。目前，该法已成功用于Al、Cu等纯金属的晶粒细化。

但是，传统的模压变形法存在适用范围比较窄(仅限于Al、Cu等高塑性材料)、板材压制道次有限和晶粒细化效果不明显的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种可生产块体板状超细晶材料的大塑性变形方法及成形设备，利用电磁力驱动钢模实现金属板材的高速成形，以克服现有的模压变形技术的不足。

本发明的制备块体板状超细晶材料的工作原理如下：将工作线圈与电磁成形设备高压储能电容组连接，电容组充电后放电，高频率、高强脉冲电流流经线圈，在线圈周围产生瞬态脉冲磁场。由电磁感应定律，在与线圈临近的驱动板表面层产生感应涡流，该涡流与线圈电流方向相反，使得驱动板受到脉冲电磁力的冲击作用。脉冲电磁力经驱动板作用于压弯上模，使板料高速贴模成形。整个成形过程可在几百微秒的时间内完成。

本发明加工块体板状超细晶材料的成形方法，包括如下步骤：

(1)将待加工件板坯放入压弯模进行压弯；压弯上模在脉冲磁场力作用下高速向下运动，使板坯在模具斜齿部分发生纯剪切变形，在模具的平齿部分则未发生变形。

(2)用压平模对已压弯的板坯进行整平，使板坯的原斜齿部分再次受到等量的剪切变形，而模具的平齿部分对应板坯的有效应变仍为0。

(3)然后，将板坯水平方向旋转180°，由于模具的齿形分布特点，使前两次模压变形过程中板坯未受到剪切的部分进入到剪切变形的位置，再进行压弯。

(4)接着，用压平模对再次压弯过的板坯进行整平。这样，经过上述4次模压变形过程，整块板坯都产生了均匀的变形。

(5)重复上述(1)-(4)4次模压变形循环过程的步骤，增加板坯对有效变形的累积，从而在不改变板坯外形尺寸的情况下获得超细晶板材。

为实施本发明电磁力驱动模压成形方法而设计的专用设备如下：

该设备包括压弯模、压平模、驱动板、线圈、线圈支撑架、固定装置，其组成结构如下：

压弯模具的下模和上模安装在固定装置的下固定板上，压弯模具的下模和上模为齿合相接，其上、下模之间为加工件板坯，在上模的上面设有驱动板，在驱动板的表面层能产生电磁感应涡流，驱动板上面为装有线圈的线圈支撑架，线圈引线连接到电磁成形设备高压储能电容组，电容组充电后放电，高频率、高强脉冲电流流经线圈，在线圈中产生瞬态脉冲磁场，由电磁感应定律，在与线圈临近的驱动板表面层产生感应涡流，涡流与线圈电流方向相反，使得驱动板受到脉冲电磁力的冲击作用，脉冲电磁力经驱动板作用于压弯上模，实现板坯变形。线圈支撑架的上表面设有固定装置的上固定板通过紧固螺栓与下固定板连接将整个设备固定。

将压平模具的压平上模和压平下模与压弯模具上模和下模位置调换，可进行压平成形作业。

压弯模具或压平模具可采用单模作业，即只采用下模。

压弯模具或压平模具可采用软模作业，即上模或者下模采用软模。

与传统的板材模压细晶工艺相比，本发明的优点是利用电磁力驱动钢模实现对板材的压制。压弯上模在脉冲磁场力作用下高速向下运动，在高加载速率下使板材变形。由于在充分高的加载速率下工件的成形极限不再受传统的成形极限的限制，获得远高于传统的准静态成形的成形极限，因此可以提高材料的成形性，扩大材料的可选择范围。使得经该方法产生的晶粒细化效果更加明显。另外，其成形过程在瞬间完成，减少了板材在模具中的摩擦，使板材变形更均匀，提高了块体板状超细晶材料的生产效率和性能。

附图说明

图1是本发明的设备结构示意图；

图2是图1所示部分的放大图；

图3是压平模具的示意图。

具体实施方式

下面结合图1具体说明实施方式。本实施方式的块体板状超细晶材料的电磁力驱动模压成形设备，包括压弯模、压平模、线圈支撑架、上下固定板、线圈、驱动板、紧固螺栓。

压弯模具的压弯下模2和压弯上模4安装在下固定板1上，压弯模具的下模和上模为齿合相接(如图2所示)，其上、下模之间为加工件板坯3，在上模的上面设有驱动板8，在驱动板8的表面层能产生电磁感应涡流，驱动板上面为装有线圈7的线圈支撑架5，线圈7引线连接到电磁成形设备高压储能电容组，电容组充电后放电，高频率、高强脉冲电流流经线圈7，在线圈7中产生瞬态脉冲磁场，线圈支撑架5的上表面设有上固定板6通过紧固螺栓9与下固定板1连接将整个设备固定。

将压平模具的压平上模10和压平下模11(如图3所示)与压弯模具上模4和下模2位置调换，可进行压平成形作业。

本发明所适用的板坯材料为金属材料，本实施方式所采用的板坯，材料为Q235钢板，厚度为2mm；所用压弯模具材料为Cr12(淬火)，由等腰梯形齿构成模具工作面，齿高和齿宽相等，均为3mm，齿侧倾角为45度，压弯模具上、下模之间齿合间隙为加工件板坯的厚度；压平模具材料为Cr12(淬火)，工作面为平面，压平模具上、下模垂直间隙与加工件板坯的厚度相同；所用线圈为平板线圈，单根导线横截面为矩形，导线间留有一定间隙，线与线之间用高压绝缘材料包覆隔开，采用兼具高压电气绝缘和有机械强度的环氧树脂基绝缘材料灌封，并将线圈固定在线圈支撑架5内，线圈两端引线和电容器组连接；驱动板为紫铜板。

本发明提供的块体板状超细晶材料的成形工艺，包括如下步骤：

(1)安装压弯模具：根据图1所示，安装压弯下、上模具2和4、板坯3等，安装下、上固定板1、6，拧紧紧固螺栓9；

(2)放电压弯成形：将线圈7引线连接到电磁成形设备高压储能电容组，电容组充电后放电，高频率、高强脉冲电流流经线圈7，在线圈7中产生瞬态脉冲磁场，驱动板8上表面产生感应涡流，该感应涡流所产生的磁场与线圈7产生的脉冲磁场在驱动板8和线圈7的间隙内形成叠加磁场，使得驱动板8受到一个脉冲电磁力的冲击作用，脉冲电磁力力经驱动板作用在压弯上模4上，上模带动板坯成形，整个成形过程在瞬间完成。板坯在模具斜齿部分产生纯剪切变形；在模具的平齿部分则未发生变形；

(3)安装压平模具：根据图1所示，在安装压弯模具的位置处更换压平模具的上模10和下模11、板坯3等，安装下、上固定板1、6，拧紧紧固螺栓9；

(4)放电压平成形：接着，用压平上、下模10和11对压弯过的板坯进行整平，这样，受压过的板坯的原斜齿部分再次受到等量的剪切应变，模具的平齿部分对板坯的有效应变仍为0；

(5)然后，将板坯水平方向旋转180°，重复进行(1)、(2)的压弯步骤，由于模具的齿形分布特点，使得前两次模压变形过程中板坯未受到剪切的部分进入剪切变形的位置。

(6)接着，重复(3)、(4)步骤，用压平模对压弯过的板坯进行整平。这样，经过上述(3)-(6)4次模压变形步骤过程，整块板坯都产生了均匀变形。

(7)重复进行上述4次模压变形的循环过程，从而在不改变板坯外形尺寸的情况下获得细晶板材。实际结果表明，经过至少4次模压变形后，Q235钢板的平均晶粒尺寸由最初的几十微米细化为几百纳米到几微米。

本发明所用板料的材料、形状不受上述实例限制；本发明所用线圈不受上述平板线圈限制；本发明所采用的模具特征不受上述实例的限制，如单模(即只采用下模)、软模(上模或者下模采用软模)等；本发明固定装置中零件1、6、9所构成的框架结构对电磁力驱动模压成形过程的限制力不受上述实例限制，其他施力方式，如压力机等；以上所述各项应均在本发明的权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电磁力驱动模压板材成形方法，其特征是：

(1)将待加工件板坯放入压弯模进行压弯，使板坯在模具斜齿部分发生纯剪切变形，在模具的平齿部分则未发生变形；

(2)用压平模对已压弯的板坯进行整平，使板坯的原斜齿部分再次受到等量的剪切变形，而模具的平齿部分对应板坯的有效应变仍为0；

(3)然后，将板坯水平方向旋转180°，使前两次模压变形过程中板坯未受到剪切的部分进入到剪切变形的位置，再进行压弯；

(4)接着，用压平模对再次压弯过的板坯进行整平，经过上述4次模压变形过程，整块板板坯都产生了均匀的变形；

(5)重复上述(1)-(4)4次模压变形循环过程的步骤，增加板坯对有效变形的累积，从而在不改变板坯外形尺寸的情况下获得超细晶板材。

2.根据权利要求1所述的板材成形方法，其特征是所述的适用板坯材料为金属材料，或采用材料为Q235钢板，厚度为2mm的板坯材料。

3.一种实施权利要求1所述的板材成形方法的设备，该设备包括压弯模、驱动板、线圈、线圈支撑架、固定装置，其组成结构特征如下：

压弯模具的下模和上模为齿合相接，在上模的上面设有驱动板，驱动板上面为装有线圈的线圈支撑架，线圈引线连接到电磁成形设备高压储能电容组，电容组充电后放电，高频率、高强脉冲电流流经线圈，在线圈中产生瞬态脉冲磁场，在与线圈临近的驱动板表面层产生感应涡流，涡流与线圈电流方向相反，使得驱动板受到脉冲电磁力的冲击作用，脉冲电磁力经驱动板作用于压弯上模，实现板坯变形。

4.根据权利要求3所述的用于板材成形方法的设备，其特征是将压平模具的压平上模和压平下模与压弯模具上模和下模位置调换，进行压平成形作业。

5.根据权利要求3或4所述的用于板材成形方法的设备，其特征是压弯模具或压平模具采用单模作业，即只采用压弯下模或压平下模。

6.根据权利要求3或4所述的用于板材成形方法的设备，其特征是压弯模具或压平模具采用软模作业，即上模或者下模采用软模。

7.根据权利要求3所述的用于板材成形方法的设备，其特征是所用压弯模具材料为Cr12-淬火，有等腰梯形齿构成模具工作面，齿高和齿宽相等，齿侧倾角为45度，上、下模之间齿合间隙为加工件板坯的厚度。

8.根据权利要求4所述的用于板材成形方法的设备，其特征是所用压平模具材料为Cr12-淬火，工作面为平面，压平模具上、下模垂直间隙与加工件板坯的厚度相同。

9.根据权利要求3或4所述的用于板材成形方法的设备，其特征是所用线圈为平板线圈，单根导线横截面为矩形，导线间留有一定间隙，线与线之间用高压绝缘材料包覆隔开，采用兼具高压电气绝缘和有机械强度的环氧树脂基绝缘材料灌封，并将线圈固定在线圈支撑架内。

10.根据权利要求3或4所述的用于板材成形方法的设备，其特征是所用驱动板为紫铜板。

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